灵长类动物睡眠电生理信号的记录方法

摘要

本发明涉及一种能够系统记录灵长类动物睡眠电生理信号的方法。本发明由以下步骤组成：一、同时拾取和记录被试动物的四路电生理信号；二、四路生物电信号放大器采用传统的仪用放大器+主放大器的结构；三、多通道ADC的数字输出端与嵌入式处理器连接，嵌入式处理器连接到TF卡，嵌入式处理器连接到小型液晶显示器；四、嵌入式处理器的I2C主机接口连接到实时时钟电路的I2C从机接口；实时时钟电路的唤醒输出引脚连接到嵌入式处理器的外部中断引脚1；同时实时时钟电路的备用电源引脚连接至氧化银电池的正极；五、磁感应MEMS器件的输出连接到嵌入式处理器的外部中断引脚2；六、键盘直接连接到嵌入式处理器的通用I/O口上。

说明书

技术领域

本发明涉及一种能够系统记录灵长类动物睡眠电生理信号的方法。

背景技术

对睡眠的研究，对于解开动物和人类大脑的许多未解之谜具有非常重要的意义。记录睡眠状态下的脑电信号，并将脑电信号和对应时刻的肌电、眼电等电生理信号进行综合分析，是研究人和动物睡眠状态切换及其变化规律的重要手段。由于不可能在活体人类大脑中开展损伤性的实验、测试，在与人类近似的灵长类动物（如猕猴或狒狒）上进行的睡眠电生理实验就显得尤为重要。

现有的脑电、肌电或者眼电记录设备通常具有体积大、耗电多等特点，而动物又不可能主动地从配合实验的开展。因此，采用上述现有设备记录动物的电生理信号，就必须完全或部分限制动物的活动，例如将猕猴置于猴椅中固定。已有的研究表明，身体限制影响将导致狒狒的睡眠行为发生“非自然”的变化，例如：“睡眠”到“清醒”状态切换的模式被打乱，不正常的瞌睡和注意力下降等。虽然在猕猴上没有相似的研究（限制状态对其睡眠模式的影响），但有研究表明猴椅限制对猕猴的正常行为有明显影响。

近年来嵌入式系统在功耗和体积等方面都取得了突破性的进展。但是合理地选择各种嵌入式方案，针对灵长类动物睡眠电生理信号进行记录，是亟待解决的技术难题。

发明内容

本发明的目的旨在克服现有技术的不足，提供一种通过嵌入式技术实现灵长类动物电生理信号的记录方法。

本发明所述的灵长类动物睡眠电生理信号的记录方法由以下步骤组成：

一、同时拾取和记录被试动物的四路电生理信号，每路信号放大器分别有两个差分输入电极：记录端和参考端，所有四路放大器共同输出一个参考地，其电势等于电源电压和地的中点，用于将被试动物身体的共模电压，控制在放大器能够正常工作的共模电压范围内；其中，用于放大/拾取脑电信号的第一路放大器的记录端，通过外科手术直接放置在被试动物大脑的额叶部的大脑皮层之上；参考端则固定在被试动物顶骨中心地带；用于放大/拾取肌电信号的第二路放大器的记录端和参考端分别通过外科手术固定于被试灵长动物肱二头肌的两侧；用于放大/拾取水平方向眼电信号的第三路放大器的记录端和参考端分别通过外科手术固定在被试灵长动物左眼眶左右两侧颅骨上；用于放大/拾取垂直方向眼电信号的第四路放大器的记录端和参考端分别通过外科手术固定在被试灵长动物左眼眶的上下两侧颅骨上；所有四路放大器共同输出的参考地则固定在被试动物左右眉骨正中；

二、四路生物电信号放大器采用传统的仪用放大器+主放大器的结构，其中，仪用放大器将电极输入的差分输入的微弱的电生物信号，转换为相对于参考地的单端电压信号，相对于参考地的电势等于电源电压和地的中点；主放大器由通用运放构成，连接在仪用放大器之后，负责将相对于参考地的单端信号放大60dB以上；四路放大器分别输出的是相对于参考地的、经过放大的生物电信号，并被连接到四通道ADC的模拟输入端，转换为数字信号；

三、多通道ADC的数字输出端与嵌入式处理器的SPI的接口1连接，嵌入式处理器的SPI接口2连接到TF卡，嵌入式处理器的SPI接口3连接到小型液晶显示器；

四、嵌入式处理器的I2C主机接口连接到实时时钟电路的I2C从机接口；实时时钟电路的唤醒输出引脚连接到嵌入式处理器的外部中断引脚1；同时实时时钟电路的备用电源引脚连接至氧化银电池的正极；

 五、磁感应MEMS器件的输出连接到嵌入式处理器的外部中断引脚2；

六、键盘直接连接到嵌入式处理器的通用I/O口上。

上述的信号放大器、嵌入式处理器、TF卡、实时时钟电路、磁感应和键盘均可取自现有技术。

所述的生物电信号放大器采用的仪用放大器+主放大器的结构可以参见Analog Device Corporation, " Low Cost, Low Power Instrumentation Amplifier AD620 Data Sheet(Rev. D)" [DB/OL], www.analog.com,2001.和Analog Device Corporation, " JFET Input Instrumentation Amplifier with Rail-to-Rail Output in MSOP Package (Rev. O)" [DB/OL], www.analog.com,2006。

四路低功耗生物电信号放大器分别用于放大/拾取被试灵长动物的脑电、眼电（水平和垂直各一路）和肌电信号。其后则通过模拟/数字转换器 (Analog-to-Digital Converter, ADC)，将四路经过放大的模拟信号转换为能够存储的数字信号。ADC选择具有四个以上差分模拟输入通道的型号，如MCP3308。

嵌入式处理器可以采用低功耗精简指令集（RISC）嵌入式处理器，特点是相同处理速度下的功耗低，其SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）接口1连接到多通道ADC的数字输出端，以获取数字化后的多通道生物电信号。嵌入式处理器的SPI接口2连接到TF卡，用以向大容量存储器中存放放大器拾取到的各种生物电信号，使用TF卡（Trans-flash Card）作为信号存储介质，并在其中使用文件系统（File System）软件，其特点是容量大，体积小，功耗低，存储大量数据更可靠。嵌入式处理器的SPI接口3连接到小型液晶显示器，用以实现人机交互功能。

嵌入式处理器的I2C主机接口连接到实时时钟电路的I2C从机接口，并以此实现时间的配置和读取；实时时钟电路的唤醒输出引脚连接到嵌入式处理器的外部中断引脚1，用以在合适的时间唤醒处理器，使其进入记录状态。采用具有通过中断唤醒功能的实时时钟电路（Real Time Clock，如集成电路ICL1208，DS1337等），其特点是能够以非常低的功耗保持时间，并在需要系统记录的时间唤醒嵌入式处理器。可以使处理器在不需要记录的时间进入休眠状态，并在工作时唤醒处理器。同时实时时钟电路的备用电源引脚连接至氧化银电池的正极，以保证在任何时候系统具有正确的时间信息。

磁感应MEMS器件的输出连接到嵌入式处理器的外部中断引脚2，用以在需要时通过磁铁实现对记录仪的非接触式开关。采用磁感应MEMS器件（Micro-Electro-Mechanical Systems，微机电系统器件，如A3212等），MEMS器件可以在非常小的体积和功耗条件下感知外部磁场的微小变化。用以实现对记录仪的非接触式控制。

通过本发明的方法，能够在不限制灵长类动物行动自由和不影响灵长类动物正常睡眠的条件下，连续长时间记录其睡眠状态下的脑电、肌电、眼电和心电等电生理信号信号。本方法所采用的记录装置体积小、重量轻，可以固定在灵长类动物的头部，方便易行。

附图说明

图1为本发明的的原理框图。

图2为本发明的一个具体实施例框图。

具体实施方式

下面提供具体的实施方式对本发明做进一步的说明，但其不用于限制本发明。

图2是根据本发明思路设计的具体电路原理框图。其核心采用了具有ARM7TDMI-S内核，由恩智浦半导体生产的RISC处理器LPC2132。LPC2132是功耗极低的新一代32位ARM处理器，具有处理复杂事物的能力，可以满足本发明设计对嵌入式系统提出的包括：文件系统、人机交互接口和多通道数据采集在内的各种实时处理。另外，LPC2132片上还集成了本发明所需的各种外设，包括用于定时模式的实时时钟、用于控制TF存储卡和LCD的SPI接口以及充足的片上存储器（RAM和FLASH ROM）。

LPC2132还有具有功耗管理功能：“休眠”状态下LPC2132进入功耗很低的主振荡器停止状态，此时LPC2132内核由于失去时钟，只有内存状态保持不变，工作电流降低到10uA以下。由于LPC2132中集成的实时时钟的工作电流非常小（通常在10uA左右），且该实时时钟能够在LPC2132处于休眠状态时独立地工作，所以LPC2132能够实现上述的“定时工作”模式。白天，被试动物处于无需记录的清醒状态，此时LPC2132进入非常省电的“休眠状态”，系统中仅有实时时钟保持及时功能；晚上，当达到定时模式设置的开始工作时间时，一直处于工作状态的实时时钟将通过中断，唤醒“休眠状态”中的LPC2132使其进入记录数据的“工作状态”。而图2中左下角中“用于保持时间的记录氧化银电池”则在系统主电源（聚合物锂电池）没有连接时，为LPC2132中的实时时钟电路供电，以防止每次开机后对系统时间的重新设置。

另外在软件方面，为了方便装置和装有商用操作系统（Windows、Linux等）的PC系统交换数据，记录装置中嵌入式系统使用了开源的“文件系统”软件包ZLG FS。该文件系统能在很小的代码规模的系统上，实现和PC文件系统的兼容。

图2中，右下角的MEMS器件A3212，是由Allegro公司生产的微功耗磁场控制开关器件。A3212将在外部有人工磁场出现时，通过中断通知LPC2132响应磁控模式下实验研究人员发出的控制信号。

为了保证系统的便携性和足够长的工作时间，装置中电池供电系统的设计非常关键。聚合物锂电池是一种较好的选择，它能在相同体积和重量条件下，提供高于普通一次性碱性电池的一倍以上给的容量。另外，聚合物锂电池可以反复充放电100次以上，且大部分都经过防水处理。综上图2所示的系统使用了容量为4500mAH的聚合物锂电池作为主电池。

为了根据具体研究要求，灵活配置记录装置的工作模式、当前时间等参数，记录装置留有人机交互接口。为了提高装置的便携性，降低被试动物佩戴的不舒适感，装置采用了对角线长仅为1.4英寸的单色液晶MzL-05。MzL-05的工作电流仅1.5mA，在缩小装置体积的同时，有效的延长了相同体积和重量电池的工作时间。

另外，图2所示的记录装置可以同时记录四路生物电信号，四组信号拾取电路分别针对脑电、肌电、眼电和心电信号。模拟前端采用了低功耗的模拟放大电路AD623和MCP6002构成信号拾取电路，而模数转换电路则选用了四通道、全差分的十三位ADC MCP3308。

工作状态下信号记录装置中的主处理器LPC2132工作在10MHz主频，连同记录数据的2GB容量的IF卡，以及1.4吋的小型数据液晶显示器MzL-05，其总功耗约为20mA@3.3V；休眠状态下，记录装置中所有的设备均进入功耗极低的精致状态，其总功耗约为20uA@3.3V。以每天在工作状态下记录8小时的睡眠电生理信号计，如果选用容量为4500mAH的聚合路锂电池，记录装置能够在一次充电后，连续22天记录被试动物的睡眠电生理信号。

同时拾取和记录被试动物的四路电生理信号，每路信号放大器分别有两个差分输入电极：记录端和参考端，所有四路放大器共同输出一个参考地；其中，用于放大/拾取脑电信号的第一路放大器的记录端，通过外科手术直接放置在被试动物大脑的额叶部的大脑皮层之上；参考端则固定在被试动物顶骨中心地带即CZ（Central Zone）；用于放大/拾取肌电信号的第二路放大器的记录端和参考端分别固定于被试灵长动物肱二头肌的两侧；用于放大/拾取水平（X）方向眼电信号的第三路放大器的记录端和参考端分别固定在被试灵长动物左眼眶的左右两侧；用于放大/拾取垂直（Y）方向眼电信号的第四路放大器的记录端和参考端分别固定在被试灵长动物左眼眶的上下两侧；所有四路放大器共同输出的参考地则固定在被试动物左右眉骨正中。

最终，包括电池在内的整套装置，能够装入一只体积为77×52×35mm（L×W×H）的防水铝合金外壳内，其总重量可以控制在250g以下。这个装置可以固定在被试灵长动物的头上。